L'INJECTION DIRECTE ESSENCE La majorité des constructeurs se sont lancés dans le développement et la commercialisation des moteurs à essence à injection directe. Si la technologie ne semble pas très compliquée, sa mise au point est, par contre, plus difficile que celle appliquée pour les moteurs diesel. Cette technologie est celle de l'avenir tant elle ouvre de nouveaux développements dans les prochaines années.

Une injection est appelée directe si l'essence est injectée directement dans le cylindre et non dans la tubulure d'admission. L'intérêt de l'injection directe est la réduction de la consommation et des émissions de gaz polluants. Les constructeurs et équipementiers se sont donnés comme objectif de passer le niveau de CO2 de 186 grammes par kilomètre, qui était la moyenne en 1995, à 140 grammes par km en 2008 (source Bosch).

Injection directe Bosch

Avant ce terme, il faut aussi rappeler que la législation européenne impose la norme Euro 4 à partir de janvier 2005 :

Euro 3 Euro 4

Date application janvier 2001 janvier 2005

HC 0,20 0,10

NOx 0,15 0,08

CO 2,30 1,00

L'injection directe est l'un des atouts majeurs pour atteindre ces objectifs grâce à ses 4 avantages :

- Une réduction des imbrûlés - La possibilité de fonctionner en charge stratifiée - Une meilleure combustion due au recyclage des gaz - De nouveaux axes de développement.

Une réduction de la consommation Avec une injection indirecte, quelques gouttelettes se collent aux parois de la tubulure d'admission. Certes, ces gouttelettes arriveront finalement dans le cylindre, mais pas au moment voulu et pas non plus sous la forme gazeuse, condition nécessaire pour une bonne combustion.

L'injection directe permet donc d'éviter cette perte en pulvérisant l'essence directement dans le cylindre. La pression d'injection varie de 50 à 120 bars au lieu des 3,5 bars des injections indirectes classiques. L'essence est pressurisée par une pompe mécanique généralement entraînée par l'arbre à cames et amenée dans une rampe commune.

Injecteur Bosch

Rampe commune et pompe haute pression du système Bosch MED7 Les injecteurs, fonctionnant comme des électrovannes, libèrent l'essence lorsqu'ils reçoivent une impulsion électrique. La durée de l'impulsion commande la quantité libérée. L'évaporation du carburant directement dans la chambre permet de refroidir l'air et d'augmenter le taux de compression. Le moteur accepte aussi un taux de compression volumétrique plus élevé grâce à un mélange plus homogène.

La charge stratifiée La charge stratifiée signifie simplement que le mélange air/essence dans le cylindre est réparti en plusieurs couches de richesses différentes.

Moteur Renault en charge stratifiée

L'objectif est de fonctionner en mélange pauvre. Ce dernier permet d'obtenir des faibles consommations une fois que l'amorçage de la combustion est réalisée. Et c'est là une des difficultés de la combustion du mélange pauvre qui explique la répartition du mélange en plusieurs couches :

La richesse est de 1 autour de la bougie. L'étincelle amorce la combustion (1).

La combustion se propage ensuite sur les couches plus pauvres et génère une faible consommation (2).

La dernière couche peut être, le cas échéant, du recyclage de gaz d'échappement (3).

La richesse définit le rapport entre la quantité d'air et d'essence. Le rapport idéal d'une bonne combustion est de 14,7 grammes d'air pour 1 gramme d'essence. La richesse est alors égale à 1. Un rapport supérieur à 1 est un mélange riche et un rapport inférieur est un mélange pauvre. Ex : une richesse de 0,8 représente un rapport de 18 grammes d'air pour 1 gramme d'essence. Donc beaucoup plus d'air pour le même volume d'essence, ou, en d'autres termes, beaucoup moins d'essence pour le même volume d'air.

L'effet de tourbillon de l'air autour de la bougie (effet tumble) est réalisée grâce à des formes spécifiques du conduit d'admission, de l'entrée de la culasse et du haut du piston.

Piston du moteur Mercedes CGI De plus en plus, les moteurs sont multisoupapes, ce qui permet de fermer un des 2 conduits d'admission et d'accélérer l'effet tumble. Le conduit est fermé soit par un volet dans la tubulure d'admission, soit par la déconnexion d'une soupape.

Volet d'obturation du conduit - Mercedes -

Déconnexion d'une soupape - Système i-VTEC de Honda -

Le moteur 1,6 FSI du groupe Volkswagen montre le résultat d'un long travail de recherche. La tubulure d'admission est séparée en 2 canaux. Seule le canal supérieur est utilisé en mode stratifié. Le canal inférieur est fermé par un papillon.

1 - Canal supérieur de la tubulure

2 - papillon de fermeture deu canal supérieur 3 - Canal inférieur de la tubulure

4 - Injecteur

L'injection est retardée et est réalisée en fin de phase de remontée du piston. Le fonctionnement en mode stratifié est particulièrement contraignant pour les injecteurs. Ils doivent libérer une très faible quantité d'essence en moins de 0,5 milliseconde. Les gouttelettes ne font que 20 microns de diamètre, soit 5 fois plus petites que celles créées par les injections indirectes et 3 fois plus petits que le diamètre d'un cheveu humain.

La combustion de mélanges pauvres augmente, par contre, la quantité d'oxyde d'azote (NOx), malgré le fait qu'une grande partie soit recyclée. Malheureusement, les gaz NOx ne peuvent pas être traités par un pot catalytique 3 voies conventionnel. Le moteur utilise alors un deuxième pot, appelé DeNox, pour les stocker sous forme de nitrate (HNO3). Lorsque la capacité de stockage arrive à son maximum, le moteur fonctionne un très court instant en richesse " élevée " pour faire monter la température à 650 °C. Le baryum recouvrant les alvéoles du pot catalytique transforme le NOx en azote pur (N2).

Pot catalityque DoNox de la Citroën C5

Ce déstockage dure environ 1 à 2 minutes. Pour que cette opération reste sans effet sur la conduite, l'ouverture de l'accélérateur à commande électronique est augmentée pour conserver le même niveau de couple. Le déstockage devrait théoriquement être réalisé tous les 7 500 km avec une essence sans souffre (moins de 10 ppm, soit 0,000 01%). Ce n'est malheureusement pas le cas. L'essence peut contenir parfois jusqu'à 150 ppm de souffre (0,000 15%). Le déstockage peut, dans ce cas extrême, être nécessaire tous les 500 km.

Toujours concernant le recyclage du NOx, d'autres constructeurs et équipementiers travaillent vers une autre technologie : le pot catalytique au plasma. Le pot catalytique à plasma pourra réduire fortement le niveau de NOx émis par les moteurs sans pour cela élever la température des gaz d'échappement comme cela est nécessaire pour le pot Denox. Le NOx est émis particulièrement par les moteurs essence à mélange pauvre, technologie actuellement en pleine expansion.

Etude d'un pot à plasma par Delphi auto

Le pot à plasma utilise un courant électrique de 42 volts et d'une puissance de 2 à 400 watts pour transformer les molécules de NOx. Sa température de fonctionnement n'est que de 200°C.

Il est prévu pour 2005.

Le mode stratifié ne fonctionne malheureusement qu'à faible charge et faible régime. Dès qu'une puissance supérieure est demandée, la gestion du moteur passe en mode " mélange homogène ". L'injection est avancée et réalisée pendant l'aspiration de l'air d'admission.

Les deux modes de fonctionnement - documentation Bosch

Le recyclage de gaz d'échappement Le recyclage de gaz d'échappement ferait-il baisser la consommation ? La qualité de la combustion est dépendante de la compression avant " l'explosion ". Lorsque l'accélérateur est légèrement ouvert (à vitesse faible stabilisée par exemple), peu d'air rentre dans les cylindres, d'où une faible compression. Le fait de rentrer des gaz d'échappement inertes dans le processus de la combustion permet de compenser le faible volume d'air et de retrouver une compression finale plus élevée. A titre d'exemple, celui du moteur Volkswagen 1,6 FSI est de 12,1 :1 . L'admission des gaz d'échappement permet aussi une ouverture plus grande du papillon (accélérateur) et de diminuer la perte par pompage. La couche de gaz inertes entre les parois du cylindre et le mélange isole thermiquement la combustion. Ce phénomène réduit les pertes de chaleur par refroidissement et permet au piston de recevoir plus de pression. Le taux de recyclage des gaz atteint environ 35%. Tous ces phénomènes améliorent la combustion, la consommation et le niveau de pollution.

De nouveaux axes de développement

Renault travaille sur un injecteur pulvérisant un mélange d'essence et d'air. L'intérêt est un meilleur contrôle de la couche riche autour de la bougie. Un des spécialistes est la firme australienne Orbital. Son injecteur a aussi l'avantage de ne demander qu'une faible pression de fonctionnement.

C'est aussi cette société qui est le concepteur de l'injecteur-bougie du prototype Saab SCC. Il remplit trois fonctions : l'injection directe d'essence, l'injection d'air et l'allumage.

Malgré tous ces progrès, les spécialistes de la société Bosch estiment que seulement 13% de l'essence fournit réellement de l'énergie utilisable par un véhicule sur un cycle d'utilisation européen. Les 87% de perte se répartissent de la façon suivante :

- 45% dû au principe même de la charge stratifiée, - 7% dû la période d'utilisation en mode normal (richesse = 1), - 15% dû aux mauvaises combustions et pertes de chaleur par les cylindres, - 10% par pompage, - 10% par frottement et entraînement des accessoires du moteur (pompe à huile, pompe à

eau, pompes à essence, …)

C'est vous dire tout le potentiel de développement qui reste au moteur thermique…